基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔~150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.     

顶部电离层和等离子体层电子密度分布——基于GRACE星载GPS信标测量的CT反演

本文利用两颗跟飞的GRACE卫星载GPS信标测量数据和基于差分相对TEC的层析算法,实现了全球范围的顶部电离层和等离子体层(450~5000 km) 层析成像.反演结果表明,利用低轨道卫星载GPS信标测量数据可以有效地重建顶部电离层和等离子体层的全球二维分布图像.对不同地磁活动条件下的天基层析反演结果表明,等离子体层电子密度随纬度的分布是不均匀的;在低纬赤道带,从顶部电离层向上延伸直到等离子体层,以及等离子体层中局地的电离增强云团,经常出现近似垂直于磁力线的电子密度柱状增强结构.     

与地震相关的电离层三频信标CT诊断——实验及初步结果

已有研究表明地震发生前会出现电离层电子密度异常。三频信标探测通过对电离层进行快速扫描,反演得到电子密度的空间分布,能够更清晰地反映地震电离层异常特征,目前用于地震观测的三频信标观测刚刚开展。本研究介绍一种基于三频信标的电离层反演算法,采用120°E观测链的数据进行电离层层析成像,并与电离层垂测观测结果进行对比,研究观测链路上低纬和高纬电离层的时变特征。结果表明,本研究采用的电离层层析方法获得的F2层电子密度相对于初始输入的IRI模型更接近垂测观测,达到了一定的反演精度,可反映电离层的空间及时间变化特征。     

基于选权拟合法的电离层电子密度层析重构

附加约束的电离层层析算法是解决电离层电子密度反演中不适定问题的主要方法,为避免此类方法中约束权阵的选取不当对电子密度分布重构产生的不良影响,本文将选权拟合法应用到电离层层析成像技术中.该方法特别设计了依据电子密度空间分布特性构造参数权矩阵的方案.新方法有明确的物理意义,挖掘了隐含的信息量,为解决电离层电子密度反演中由于观测数据的不足等因素引起的不适定问题提供了一种新途径,可以得到符合客观实际的结果.数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法有效性、可靠性和优越性.     

电离层TEC卡尔曼滤波成像研究

随着太空探测技术的进步,对TEC(Total Electron Content,简称TEC)探测精度要求越来越高.本文利用COSMOS 2414卫星数据资料获得观测TEC,在电离层NeQuick模型下,得到电离层电子密度,并使用卡尔曼滤波算法反演电子密度,最后结合电离层测高仪数据对实验结果进行判定.结果发现利用卡尔曼滤波反演信标资料算法,可以获得可靠的二维电子密度场.     

一种基于LEO卫星信标的电离层层析成像新算法

LEO卫星信标是电离层监测的重要手段之一.利用电离层层析成像算法,LEO卫星信标能够实现区域电离层电子密度的快速重构.针对LEO卫星信标的特点,本文提出了一种函数基模型与像素基模型组合的电离层层析成像新算法.选择差分相对电离层总电子含量作为输入数据源,先通过函数基模型法获取电离层电子密度初始分布,再利用像素基模型法对初始分布进行二次迭代重构,该方法可有效降低电离层层析成像对背景电离层模型的依赖,同时能够实现电离层小尺度扰动结构的有效反演.利用数值仿真方法及低纬度电离层层析成像网的实测数据的反演结果验证了本文提出的新算法的可行性和可靠性.     

远紫外光谱遥感反演电离层EDP技术

本研究基于美国GUVI观测氧原子135.6 nm夜气辉光谱数据,建立了GUVI临边观测模型,采用正则化和牛顿迭代法相结合的方法,消除了权重矩阵的病态问题,得到了峰值电子密度和峰值高度,并结合电离层电子密度的Chapman表达式,反演得到了电离层电子密度剖面.将得到的反演结果与地基方式获取的观测数据进行比较,两者吻合得很好.之后,反演得到了磁暴期2002年9月29日到10月3日的电子密度剖面,初步分析了电离层电子密度剖面随磁暴的变化情况.     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

电离层三维层析成像的自适应联合迭代重构算法

在电离层层析成像过程中,联合迭代重构算法是一种常用的反演算法.然而,该算法迭代收敛较慢,反演结果精度不高.为此,本文发展了一种自适应的联合迭代重构算法,该算法利用上一轮的电离层电子密度反演结果,自适应地调整松弛因子和加权参数.通过模拟数据和实测数据对该算法的反演结果进行了验证,并将得到的反演结果与电离层测高仪数据进行了比较,结果表明,该算法能够有效地反演电离层电子密度,且反演结果精度优于常用的联合迭代重构算法.     

GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析

本文给出GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析的原理、算法和基于实测数据的反演结果.反演结果的比较表明,联合地基GPS与掩星观测数据进行重建,电子密度整体图像的重建质量特别是其垂直结构的重建质量得到了明显改善.在平静日和磁暴期间两种条件下利用实测数据的重建结果表明,GPS地面台网和掩星观测结合的电离层层析可以获得电离层电子密度在高度-纬度-经度-时间四维空间中的变化.重建结果清晰地显示了磁暴期间电离层负相暴效应,表明结合GPS地面台网和掩星观测的时变三维电离层层析可以有效地监测扰动条件下的大尺度电离层结构.     

热层大气密度反演与建模研究进展

热层是位于地球表面大约90 km到近1 000 km的大气圈层,它与电离层和低层大气都存在着复杂的耦合关系;同时热层作为人类航天器空间活动的主要区域,其大气直接影响着各类低轨航天器的运行轨迹.近年来,热层大气观测资料的逐步增加推动了热层大气变化特性的研究和大气模式的发展.本文首先综述了基于多源卫星观测数据的热层大气密度反演算法.着重介绍了基于精密轨道数据以及加速度计数据反演密度的主要算法,以及各种反演策略的优缺点.总结了当前工程常用的MSIS、Jacchia以及DTM热层大气模式在数据源、算法实现过程及其适用范围等方面的异同.接着介绍了基于当前最新大气密度观测数据结合已有大气模式,应用多项式、稀疏矩阵拟合以及数据同化等技术的大气模式优化研究进展.最后概述了基于观测数据研究热层大气响应磁暴、耀斑以及日食等空间事件方面的科学进展.     

电离层GPS掩星观测改正TEC反演方法

电离层掩星观测中,当低轨卫星（LEO）轨道高度较低时,轨道以上的电离层电子总含量（TEC）对掩星反演的影响不能忽略.目前,一般采用指数函数等外推方法来处理该问题,对反演结果可能引起较大误差.为提高电离层掩星反演精度,本文研究利用LEO处于非掩星一侧GPS观测数据的改正TEC新反演方法.用三维射线追踪程序计算出电离层掩星观测模拟数据,分别应用改正TEC方法和外推方法进行反演,将反演结果与所用模式值进行比较.结果表明：对于轨道高度约800km的GPS/MET掩星模拟数据,外推方法和改正TEC方法反演结果都与模式值基本一致;对于轨道高度约400km的CHAMP掩星模拟数据,外推方法误差较大,改正TEC方法反演结果与模式值相符得较好.将改正TEC方法应用于GPS/MET实测数据的反演,取得了合理的结果.这些说明,改正TEC算法是一种有效的电离层掩星反演方法,尤其是对于轨道较低的LEO的电离层掩星观测反演特别有用.     

张衡一号电磁卫星在轨情况及主要的科学成果

张衡一号电磁卫星是中国地震立体观测体系的天基观测平台,其科学目标是获取全球电磁场、电离层等离子体、高能粒子数据,对中国及其周边开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪,弥补地面观测的不足,探索地震监测预测新途径.张衡一号电磁卫星系列的第一颗试验卫星于2018年2月成功发射,现已在轨稳定运行4年多;第二颗同类电磁卫星将于2023年6月左右发射.在轨测试、交叉定标工作表明张衡一号电磁卫星具备良好数据质量.在科学产出方面,张衡一号卫星全球地磁场参考模型是全球地磁场参考模型（IGRF）构建一个多世纪以来,唯一由中国科学家牵头且唯一采用中国数据制作的全球地磁场参考模型;基于张衡一号的电离层电子密度3D模型很好地重现了电离层结构特征;张衡一号电磁卫星在地震等自然灾害、空间天气事件监测方面显示出了良好的响应能力;在圈层耦合机理方面,关于地震电磁波跨圈层传播全波计算方法能够计算出岩石圈-电离层波导及电离层中的电磁场变化,证实了张衡一号卫星电磁场载荷探测地震低频电磁异常的能力.张衡一号卫星能够反映岩石圈的地震、甚低频发射站、岩石圈磁异常、大气层的闪电等活动.科学研究结果表明张衡一号电磁卫星与其它观测结果一致...     

顾及电离层变化的层析反演新算法

区别于以往GPS电离层层析研究主要关注迭代模型的思路,本文从两方面入手提高GPS电离层层析迭代算法的反演精度:一方面,顾及传统电离层层析迭代模型仅与对电子密度误差起放大作用的GPS射线截距权重相关的不足,提出考虑层析像素格网中的电子密度对GPS TEC的贡献建立新的迭代模型,在不同电子密度像素格网内重新分配GPS TEC实测值与其反演值之间的差距;另一方面,顾及电离层层析迭代算法中松弛因子对反演结果的影响,提出考虑电子密度变化构造新的松弛因子,抑制传播噪声对电子密度反演精度的影响.实验结果显示,相对于传统代数重构算法(ART),新方法反演的电离层电子密度剖面更接近于电离层测高仪观测的电子密度剖面,提高了电子密度反演精度.     

基于Swarm卫星数据的一次地震电离层现象辨识

为进一步探索基于多颗卫星观测数据的地震电离层现象识别,利用Swarm星座三颗卫星观测的电子密度数据和磁场数据,对已报道的2017年11月12日伊朗M_W7.3地震震前第9天震中附近的一次地震电离层扰动现象进行辨识。通过分析三颗卫星相邻轨道的电离层扰动特征,获得了异常扰动存在的空间范围;利用Swarm星座三颗卫星轨道的时间和空间差异,计算出异常扰动在空间中可能的传播特征;使用同步观测的磁场数据判断其电磁辐射特性。最终根据现有对地震电离层耦合的认知,并结合分析的结果,认为该扰动为非震源发出的声重波扰动,非沿纬向传播的电离层行波扰动,非同步电磁辐射引发扰动,而是与伊朗M_W7.3地震孕育活动无关的一次高纬度强烈电离层活动所引起的扰动变化。      

电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.     

太阳平静期地磁场与电离层时空变化相互作用分析

作为地球空间环境的重要组成部分,地磁场和电离层是地球物理研究中的重要方向.新的观测数据和处理方法为人们更加深入地认识地磁场和电离层时空变化之间的相互作用发挥了巨大的促进作用.本文利用欧洲轨道测定中心(CODE)提供的全球电离层垂直总离子浓度地图(GIM)数据和Swarm卫星的观测数据,基于数据统计的方法,对太阳平静期不同纬度地区地磁场和电离层时空变化之间的相互作用进行了分析.从地磁场对电离层时空变化的作用来看,本文利用Swarm卫星数据发现电离层电子浓度在赤道地区呈"马鞍"形分布,在高纬度地区变化剧烈,验证了因地磁场对电离层时空变化影响导致的电离层赤道异常和极盖吸收等现象的存在,同时利用GIM数据通过张量秩-2分解和主成分析发现沿地磁场方向电离层的空间变化更加迅速,体现出地磁场对电离层时空变化的约束作用.从电离层对地磁场时空变化的作用来看,基于CHAOS-5模型对地磁内源场和磁层环电流磁场的预测,本文从Swarm卫星磁测数据中分离出电离层中电流体系的磁效应,其中包括赤道电集流、中纬度地区的Sq电流体系和极区电集流的磁效应,为进一步反演电离层电流体系奠定了基础.     

电离层掩星反演的变分同化方法

电离层掩星数据反演的传统方法是Abel反演法及其改进方法,而实际电离层的非球对称给电离层电子密度反演带来误差.本文研究了在气象领域广泛应用的变分同化方法在掩星数据反演电离层电子密度廓线的可行性,利用IRI和Nequiek模型模拟掩星真值场和背景场进行数值模拟反演,并与Abel反演法反演结果进行对比.结果表明,变分同化反演方法能够有效综合模式和观测数据,使得反演结果精度较高;与Abel反演法相比,反演的电子密度廓线F2层峰值浓度误差在10％以下,而Abel反演法在20％～30％之间;而且变分同化反演法对误差扰动有较好的过滤性,因此实用性较强.     

基于机器学习集成算法的电离层层析算法迭代初值精化

GNSS电离层层析技术在电离层探测中扮演着重要角色,然而,由于观测数据不足或分布不均,导致层析模型中固有的不适定性问题成为制约该技术推广应用的主要瓶颈,其主要表现在无信号射线像素的反演电子密度对初值比较依赖,而初值通常是由精度不高的经验模型给出,从而拉低了电离层层析的整体精度.针对该问题,本文提出了一种基于机器学习集成算法(XGBoost)的电离层层析新方法(XGB-CIT),即基于传统层析算法,利用多个连续时段中有信号射线像素的特征及其电子密度反演值对机器学习模型进行训练,然后预测后续时段中所有像素的电子密度,并以此作为电离层层析的迭代初值,实现对电离层层析算法迭代初值的精化以及层析精度和效率的提升.利用湖南省连续两天共46个时段的CORS观测数据进行层析反演,并以23个连续时段为滑动窗口构建机器学习模型进行初值预测,并在此基础上利用正演误差和电离层测高仪数据对XGB-CIT的精度和适用性进行检验.其结果表明：相较于IRI2016模型,XGBoost算法提供的迭代初值精度提高了68%,而基于该初值得到的XGB-CIT模型,其精度和效率也比传统层析方法有所提高,其中收敛速度提高了20%...     

基于ZH-1卫星探测的太阳活动低年顶部电离层不规则结构的时空特征

利用ZH-1卫星2019、2020年的原位电子密度观测数据,对卫星观测范围,即地理纬度南北65°之间午夜后顶部电离层的不规则结构进行研究,得到如下结果.(1)午夜后顶部电离层不规则结构集中区主要分布在地磁赤道、中纬度以及较高纬度区,白天赤道异常峰值区为不规则结构的谷值区.(2)不同纬度区不规则结构随地理经度分布呈现出明...